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Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos TTéécnicos de Ccnicos de Cáádizdiz
Curso CCurso Cóódigo Tdigo Téécnico de la Edificacicnico de la Edificacióónn
DBDB--HE Ahorro de EnergHE Ahorro de Energííaa
Septiembre Septiembre -- Octubre de 2006Octubre de 2006
Departamento de Departamento de IngenierIngenieríía Energa Energééticatica
Grupos de Grupos de Termotecnia y Termotecnia y TermodinTermodináámicamica
HE.4 y HE.5HE.4 y HE.5: Energ: Energíía Solar:a Solar:PPéérdidas de radiacirdidas de radiacióón por n por InclinaciInclinacióón, Orientacin, Orientacióón y n y
SombrasSombrasIsidoro Lillo BravoIsidoro Lillo Bravo
Grupo de TermodinGrupo de Termodináámica y Energmica y Energíías Renovablesas [email protected]@esi.us.es
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Departamento de Departamento de IngenierIngenieríía Energa Energééticatica
Grupos de Grupos de Termotecnia y Termotecnia y TermodinTermodináámicamica
1.1.-- INTRODUCCIONINTRODUCCION
TecnologTecnologíías de aprovechamiento del recurso solar.as de aprovechamiento del recurso solar.
2.2.-- CARACTERIZACICARACTERIZACIÓÓN DEL MOVIMIENTO DEL SOLN DEL MOVIMIENTO DEL SOL
RadiaciRadiacióón Solar en Espan Solar en Españña: Zonas clima: Zonas climááticasticas
3.3.-- CALCULO DE PERDIDAS POR INCLINACION Y CALCULO DE PERDIDAS POR INCLINACION Y ORIENTACIONORIENTACION
4.4.-- CALCULO DE PERDIDAS POR SOMBRASCALCULO DE PERDIDAS POR SOMBRAS
5.5.-- PERDIDAS LIMITESPERDIDAS LIMITESIntegraciIntegracióón arquitectn arquitectóónica.nica.SuperposiciSuperposicióón de captadores/mn de captadores/móódulos.dulos.General.General.
6.6.-- APLICACIONES SEGAPLICACIONES SEGÚÚN HEN HE--4 Y HE4 Y HE--5.5.
ÍÍndicendice
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RENOVABLERENOVABLE
SOSTENIBLESOSTENIBLE
DISPERSADISPERSA
DENSIDAD ENERGETICADENSIDAD ENERGETICA-- Potencia: 0 Potencia: 0 -- 1000 W/m1000 W/m2; 2;
-- EnergEnergíía diaria: 3 a diaria: 3 -- 7 7 kWhkWh/m/m22··ddííaa
ALEATORIA ALEATORIA
CONSIDERACION SOCIALCONSIDERACION SOCIAL
ESTRUCTURA Y COSTES INSTALACIONES SOLARES.ESTRUCTURA Y COSTES INSTALACIONES SOLARES.
““Alta inversiAlta inversióón y bajo coste de operacin y bajo coste de operacióón y mantenimienton y mantenimiento””
TECNOLOGIAS SOLARESTECNOLOGIAS SOLARES
1.- INTRODUCCIONCONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGIA SOLAR
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Energías Primarias11 Gtep
Consumo: calor, frío, luz, etc.
SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA ENERGETICO ACTUAL
Combustibles, 6112 Mtep
Electricidad, 1175 Mtep
Energías Intermedias
Rendimiento: 3 %
Renovables: 2 Gtep (18 %)
Agotables: 9 Gtep (82 %)
6,2 %
Com
bust
ible
s fó
sile
s: 7
5,8
%
“Abrigamos”y “Calentamos”
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RECURSO SOLAR
POTENCIA: 0 POTENCIA: 0 -- 1000 W/m1000 W/m2 2
ENERGIA DIARIA: (Sur, InclinaciENERGIA DIARIA: (Sur, Inclinacióón n óóptima) ptima) 3 3 -- 7 7 kWhkWh/m/m22··ddííaa Media anual: 3,2Media anual: 3,2--4,9 4,9 KwhKwh/d/dííaa
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1. PASIVA
- VITAL PARA EL PLANETA : SER HUMANO, ANIMALES y PLANTAS
- ARQ. BIOCLIMATICA (Parcialmente HE-1, HE-3)
2. ACTIVA
- BIOMASA , EÓLICA , HIDRAULICA…. (NO CTE)
- SOLAR:
- Instalaciones producción CALOR/FRIO:
EnergEnergíía Solar Ta Solar Téérmica de Baja Temperatura rmica de Baja Temperatura (HE(HE--4)4)
- Instalaciones para producción de ELECTRICIDAD:
EnergEnergíía Solar Ta Solar Téérmica de Alta Temperatura rmica de Alta Temperatura (NO CTE)(NO CTE)
EnergEnergíía Solar Fotovoltaica a Solar Fotovoltaica (HE(HE--5)5)
TECNOLOGIAS APROVECHAMIENTO DEL RECURSO SOLAR
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Cilindro parabólicos
Paraboloide de revolución
Receptor Central
Solar térmica de media y alta temperatura
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INSTALACIONES DE ENERGINSTALACIONES DE ENERGÍÍA SOLAR TA SOLAR TÉÉRMICA A RMICA A BAJA TEMPERATURABAJA TEMPERATURA
(HE.4)(HE.4)
Captador
Depósito+
Intercambiador
Energía Auxiliar
Esquema de Principio Básico
OBJETIVO: ELEVAR LA TEMPERATURA DEL AGUA
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VIVIENDAS PLURIFAMILIARES, PISCINAS, INDUSTRIA,VIVIENDAS PLURIFAMILIARES, PISCINAS, INDUSTRIA,……
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GENERADOR FOTOVOLTAICO INVERSOR
PROTECCIONES
CONTADORES
RED
ELECTRICA
INSTALACION FOTOVOLTAICA CONECTADA A LA RED
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Autoconsumo
INSTALACION FOTOVOLTAICA AISLADA DE LA RED
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ESTIMACION DE LA PRODUCCION (INSTALACIONES SIN SEGUIMIENTO NI CONCENTRACION NI SOMBRAS)
Radiación anual: Entre 2000 y 1400 kWh/m2
Radiación diaria: 3-7 kWh/m2; Media And: 4,5 kWh/m2
η Inst. FV CONEXIÓN A RED : (8%) ====> Prod. Anual: 160-120 kWh/m2
(eléctricos)
ηInst. SOLAR TERMICA BT: (40%) ====> Prod. Anual: 2880-2000 MJ/m2
(térmicos)
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β
Perfil del módulo
S
EO
N
α
β
β
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Diagrama de trayectoria solares de referencia (latitud 41Diagrama de trayectoria solares de referencia (latitud 41ºº))
- 7 h
- 6 h
- 5 h
- 4 h
- 3 h
- 2 h
- 1 h0 h
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h
6 h
A 1
B 1
C 1
D 1
0 3 0 6 0 9 0 1 2 0- 3 0- 6 0- 9 0- 1 2 0A c im u t ( º )
0
2 0
4 0
6 0
8 0E le v a c ió n ( º )
7 h
A 2
B 2
C 2
D 2
A 4
B 4
C 4
D 4
A 6
A 8
A 1 0
B 6
B 8
B 1 0
B 1 2
C 6
C 8
C 1 0
C 1 2
D 6
D 8
D 1 0
D 1 2
D 1 4A 9
A 7
A 5A 3
B 9
B 7
B 5
B 3
B 1 1
C 3
C 5
C 7
C 9
C 1 1D 1 3
D 1 1
D 9
D 7
D 5
D 3
Ejercicio: Determinar la sombra que da un poste de 2 m, el día 13 de julio a las 11 h. solares, en Madrid. (α= - 40º; β=67º), Longitud sombra = 2/tg 67º = m. ( 40º NOROESTE).
o
TABLAS APÉNDICE B
Tanto por ciento (%) de pérdidas anuales para cada sector del gráfico
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ZONAS CLIMATICASZONAS CLIMATICAS
Zona 1: H < 3,8 Zona 2: 3,8 ≤ H < 4,2Zona 3: 4,2 ≤ H < 4,6Zona 4: 4,6 ≤ H < 5,0Zona 5: H ≥ 5,0
H (H (kWhkWh/m/m22))
ZONAS CLIMATICAS SOBRE RADIACION SOLAR
GLOBAL SOBRE SUPERFICIE HORIZONTAL
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PERDIDAS LIMITESPERDIDAS LIMITES
CASOCASO OrientaciOrientacióón e n e inclinaciinclinacióónn
OIOI
SombrasSombrasSS
Total Total OI+SOI+S
GeneralGeneral 10 %10 % 10 %10 % 15 %15 %
SuperposiciSuperposicióónn 20 %20 % 15 %15 % 30 %30 %
IntegraciIntegracióón n arquitectarquitectóónicanica 40 %40 % 20 %20 % 50 %50 %
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CONCEPTO DE INTEGRACIONCONCEPTO DE INTEGRACION
INTEGRACION ARQUITECTONICAINTEGRACION ARQUITECTONICA: : Cuando mCuando móódulos/captadores cumplen una dulos/captadores cumplen una doble funcidoble funcióón, energn, energéética y arquitecttica y arquitectóónica nica (revestimiento, sombreado y cerramiento) y (revestimiento, sombreado y cerramiento) y ademademáás, sustituyen a elementos s, sustituyen a elementos constructivos constructivos convencionalesconvencionales o son o son elementos de la elementos de la composicicomposicióón arquitectn arquitectóónicanica..
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CONCEPTO DE SUPERPOSICIONCONCEPTO DE SUPERPOSICION
SUPERPOSICION: Si estSUPERPOSICION: Si estáá sobrepuesto sobrepuesto en cerramiento/cubierta.en cerramiento/cubierta.
INTEGRACION : Si forma parte del INTEGRACION : Si forma parte del cerramiento/cubierta.cerramiento/cubierta.
SUPERPOSICION ARQUITECTONICA: Cuando SUPERPOSICION ARQUITECTONICA: Cuando los mlos móódulos/captadores se colocan paralelos a dulos/captadores se colocan paralelos a la envolvente del edificio. la envolvente del edificio. No se acepta la envolvente horizontal.No se acepta la envolvente horizontal.
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CONCEPTO CONCEPTO ““GENERALGENERAL””
GENERAL: Cuando no es superposiciGENERAL: Cuando no es superposicióón ni n ni integraciintegracióón arquitectn arquitectóónica.nica.
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INCLINACION Y ORIENTACION OPTIMASINCLINACION Y ORIENTACION OPTIMAS
TECNOLOGIATECNOLOGIA INCLINACIONINCLINACIONOPTIMAOPTIMA
ORIENTACIONORIENTACIONOPTIMAOPTIMA
FOTOVOLTAICAFOTOVOLTAICA LATITUDLATITUD--1010ºº
TERMICA TERMICA Demanda Anual Demanda Anual
constanteconstante
LATITUDLATITUD
TERMICA TERMICA Demanda Demanda Preferente Preferente InviernoInvierno
LATITUD+10LATITUD+10ººSURSUR
LATITUDLATITUD--1010ºº
SURSUR
TERMICA TERMICA Demanda Demanda Preferente Preferente
VeranoVerano
INCLINACION MINIMA: 5º
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100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%
< 30%
-45°
N
S
75°
W E
-75°
105°
120° -120°
135° -135°150° -150°
165° -165°
-105°
60° -60°
30° -30°15° -15°
10°
30°
50°
70°
90°
Ángulo de Azimut+ -
Ángulo deinclinación
·
SI LA LATITUD ES DISTINTA DE 41º:
Pérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2 + 3,5·10-5·α2] para 15º< β< 90ºPérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2] para β< 15º
- SI LA LATITUD ES 41º :
α
β
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100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%
70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%
< 30%
-45°
N
S
75°
W E
-75°
105°
120° -120°
135° -135°
150° -150°165° -165°
-105°
60° -60°
30° -30°15° -15°
10°
30°
50°
70°
90°
Ángulo de Azimut+ -
Ángulo deinclinación
·x·
Datos Pérdidas 0+I
Latitud 41ºSuroeste 50ºInclinación 20ºDemandaconstanteDemanda invierno
→ α=+50º→ β=20º → 92%
Pérdidas O+I = 8%Pérdidas O+I = 8%
α
β
EJEMPLO CASO I:
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100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%
70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%
< 30%
-45°
N
S
75°
W E
-75°
105°
120° -120°
135° -135°
150° -150°165° -165°
-105°
60° -60°
30° -30°15° -15°
10°
30°
50°
70°
90°
Ángulo de Azimut+ -
Ángulo deinclinación
··
α
β
Datos Pérdidas0+I
Latitud 41ºSureste 20ºInclinación 30º
→ α= - 20º→ β=30º →97%→ Pérdidas O+I= 3%
EJEMPLO CASO II:
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PERDIDAS POR SOMBRAS TEMPORALESPERDIDAS POR SOMBRAS TEMPORALES
E. S. TERMICA
E. S. FOTOVOLTAICA
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PERDIDAS POR SOMBRASPERDIDAS POR SOMBRASDEBIDAS A LA PROPIA INSTALACION: Distancia entre hilerasDEBIDAS A LA PROPIA INSTALACION: Distancia entre hileras
d1 ≥ 2,5·h
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CCáálculo de acimut y altura solarlculo de acimut y altura solar¡¡mejor en el punto medio del campo!mejor en el punto medio del campo!
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-7h
-6h
-5h
-4h
-3h
-2h
-1h0h
1h
2h
3h
4h
5h
6h
A1
B1
C1
D1
0 30 60 90 120-30-60-90-120Acimut (º)
0
20
40
60
80Elevación (º)
7h
A2
B2
C2
D2
A4
B4
C4
D4
A6
A8
A10
B6
B8
B10
B12
C6
C8
C10
C12
D6
D8
D10
D12
D14A9
A7
A5A3
B9
B7
B5
B3
B11
C3
C5
C7
C9
C11D13
D11
D9
D7
D5
D3
Diagrama de trayectorias del sol
β=35° α=0° A B C D13 0.00 0.00 0.00 0.0011 0.00 0.01 0.12 0.44
9 0.13 0.41 0.62 1.49
7 1.00 0.95 1.27 2.765 1.84 1.50 1.83 3.87
3 2.70 1.88 2.21 4.67
1 3.17 2.12 2.43 5.04
2 3.17 2.12 2.33 4.994 2.70 1.89 2.01 4.46
6 1.79 1.51 1.65 3.638 0.98 0.99 1.08 2.55
10 0.11 0.42 0.52 1.33
12 0.00 0.02 0.10 0.4014 0.00 0.00 0.00 0.02
Tabla de referenciaAporta valores de coeficientes
Cálculo de pérdidas por sombras
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Ejemplo de uso de apEjemplo de uso de apééndicesndices
-7h
-6h
-5h
-4h
-3h
-2h
-1h0h
1h
2h
3h
4h
5h
6h
A1
B1
C1
D1
0 30 60 90 120-30-60-90-120Acimut (º)
0
20
40
60
80Elevación (º)
7h
A2
B2
C2
D2
A4
B4
C4
D4
A6
A8
A10
B6
B8
B10
B12
C6
C8
C10
C12
D6
D8
D10
D12
D14A9
A7
A5A3
B9
B7
B5
B3
B11
C3
C5
C7
C9
C11D13
D11
D9
D7
D5
D3
β=35° α=30° A B C D13 0.00 0.00 0.00 0.0011 0.00 0.00 0.03 0.06 9 0.02 0.10 0.19 0.56
7 0.54 0.55 0.78 1.80
5 1.32 1.12 1.40 3.06 3 2.24 1.60 1.92 4.14
1 2.89 1.98 2.31 4.87
2 3.16 2.15 2.40 5.204 2.93 2.08 2.23 5.02
6 2.14 1.82 2.00 4.46
8 1.33 1.36 1.48 3.54 10 0.18 0.71 0.88 2.26
12 0.00 0.06 0.32 1.17
14 0.00 0.00 0.00 0.22
Supongamos edificio a β=35º, α= + 30º
Sumatorio de porcentajes por coeficientes: 0.25*A1; 0,25*A2; 0,5*A3, ….
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H
a1
α1
Norte
h1
d1
Sur
d2
1
0
2
3
β2
α2
b2a2
b1
β1
h2
H
DATOS INICIALES: αp= 0º, βp= 42º;h1 = 7 m, h2 = 7 m, a1 = 5 m, b1 = 6 m, ,a2 = 4 m y b2 = 9 m.Resultan: α1= - 40º, β1= 63,67º, α2 = - 24º y β2= 45º.
βp
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-7 h
-6 h
-5 h
-4 h
-3 h
-2 h
-1 h0 h
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h
6 h
A 1
B 1
C 1
D 1
0 3 0 6 0 9 0 1 2 0-3 0-6 0-9 0-1 2 0A c im u t (º)
0
2 0
4 0
6 0
8 0E lev ac ió n (º)
7 h
A 2
B 2
C 2
D 2
A 4
B 4
C 4
D 4
A 6
A 8
A 1 0
B 6
B 8
B 1 0
B 1 2
C 6
C 8
C 1 0
C 1 2
D 6
D 8
D 1 0
D 1 2
D 1 4A 9
A 7
A 5A 3
B 9
B 7
B 5
B 3
B 1 1
C 3
C 5
C 7
C 9
C 1 1D 1 3
D 1 1
D 9
D 7
D 5
D 3
1
2
Para α= 0º, β= 35º, que es lo más parecido a α= 0º, β= 42º. Resulta, A5 = 1,84, A3 = 2,70, B3 = 1,88, B5 = 1,50, C3 = 2,21 y D3 = 4,67. Porcentajes, en función del área sombreado , de 0,25 a D3, de 0,75 a C3, de 1 a B3, de 0,25 a B5, de 0,75 a A5 y 0,75 a A3. Sumando los valores de los coeficientes con sus porcentajes, resulta el porcentaje de reducción de la radiación incidente debido a la sombra del muro:
1,84*0,75+2,70*0,75+1,88*1+1,50*0,25+2,21*0,75+4,67*0,25= 8,485%
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- 7 h
- 6 h
-5 h
-4 h
-3 h
-2 h
-1 h0 h
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h
6 h
A 1
B 1
C 1
D 1
0 3 0 6 0 9 0 1 2 0- 3 0- 6 0- 9 0- 1 2 0A c im u t ( º )
0
2 0
4 0
6 0
8 0E le v a c ió n ( º )
7 h
A 2
B 2
C 2
D 2
A 4
B 4
C 4
D 4
A 6
A 8
A 1 0
B 6
B 8
B 1 0
B 1 2
C 6
C 8
C 1 0
C 1 2
D 6
D 8
D 1 0
D 1 2
D 1 4A 9
A 7
A 5A 3
B 9
B 7
B 5
B 3
B 1 1
C 3
C 5
C 7
C 9
C 1 1D 1 3
D 1 1
D 9
D 7
D 5
D 3
Datos Pérdidas totalesLatitud 41ºSureste 20ºInclinación 30º
→ α= - 20º→ β=30º→ Pérdidas O+I= 3%
→ Pérdidas Sombras = 3%→ Pérdidas totales= 6%
Apéndice: Tabla C.2; β=35º; α= - 30º : Pérdidas sombras= D14+D12+D10+D8+C12+C10+B12+ 0,5·D6+0,5·C8+05·B10+0,5·D13 = 0,08+0,05+0,5+1,64+0,03+0,15+0+0,5·0,65+0,5·0,1+0,5·0,22= 2,935%~ 3%
Ejemplo CASO IIEjemplo CASO II
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TerrazasTerrazas planasplanasEstructurasoporte sobreel tejado
Parasol FV:
Claraboyas en cubiertas
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TejadosTejados inclinadosinclinados
Montados sobre el tejado
Sustituyendo partedel tejado
Con refrigeraciónposterior
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FachadasFachadas
Total o parcialmenteintegrada
Haciendo efectoinvernadero
Cerramiento de balcón
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FachadasFachadas: : VoladizosVoladizos
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OtrasOtras combinacionescombinaciones (I) (I)